Полностью дейтерированный метанол впервые обнаружен в космосе

Чем этот метанол тяжелее обычного

Метанол (CH₃OH) — простейший спирт. В его молекуле к атому углерода присоединены три атома водорода, а к атому кислорода — четвёртый; углерод и кислород связаны между собой. Дейтерий — это водород, в ядре которого кроме протона есть ещё и нейтрон: масса его атома вдвое больше, но молекулы он образует те же самые. Разновидности одной молекулы, различающиеся только изотопами, называют изотопологами.

Уже были известны четыре частично дейтерированные формы метанола — с одним, двумя или тремя атомами дейтерия (единственный атом дейтерия может быть связан либо с углеродом, либо с кислородом). Прежние работы давали лишь неуверенные указания на присутствие полностью дейтерированной формы. Теперь группа под руководством Арно Беллоша из Радиоастрономического института Макса Планка сообщает о первом надёжном обнаружении CD₃OD. Это первая молекула с четырьмя атомами дейтерия, найденная в межзвёздном пространстве.

Неожиданным оказалось количество CD₃OD. В нашей Галактике на каждые 100 000 атомов водорода приходится лишь около 1,6 атома дейтерия. Если бы дейтерий распределялся по молекулам случайно, на одну полностью дейтерированную молекулу пришлось бы более 10¹⁹ молекул обычного метанола. Измерения же вокруг IRAS 4A2 дали около четырёх молекул CD₃OD на каждые 10 000 молекул CH₃OH.

Как ALMA распознаёт молекулу, которую нельзя увидеть

Молекулы в тёплом газе вращаются, но не с любой скоростью, а лишь с некоторыми разрешёнными. Всякий раз, переходя на более медленное вращение, молекула испускает радиоволну строго определённой частоты. Более тяжёлые атомы изменяют вращение молекулы, поэтому у каждого изотополога свой набор частот — своего рода отпечаток пальцев, который сначала нужно измерить в лаборатории. Для CD₃OD такие измерения опубликованы в 2023 году.

Наблюдения выполнены в рамках COMPASS — большой программы ALMA, в которой изучались 11 протозвёзд солнечного типа, то есть будущих звёзд, похожих на Солнце и ещё только формирующихся. Обзор охватывал частоты от 279,0 до 311,7 ГГц (длина волны около миллиметра). ALMA различает детали в пределах примерно 100 астрономических единиц от каждой протозвезды (астрономическая единица — среднее расстояние от Земли до Солнца); это размер планетной системы. В направлении IRAS 4A2 десять спектральных линий CD₃OD оказались сильными и почти не перекрывались с линиями других молекул, поэтому обнаружение считается надёжным.

В другой работе COMPASS у 7 из 11 протозвёзд найдена линия метанола на частоте 302,9 ГГц, которую усиливает сам газ, — так в лазере усиливается свет. Такой природный усилитель излучения называют мазером. Шесть из этих протозвёзд находятся на самой ранней стадии развития, которую называют классом 0; у седьмой мазер, вероятно, возбуждается потоком газа от соседней, более массивной протозвезды.

Что эта находка значит для планет и комет

Метанол образуется в ледяных оболочках пылинок: на холодной стадии, ещё до появления протозвезды, атомы водорода один за другим присоединяются к замёрзшим молекулам монооксида углерода (CO). При таких низких температурах тяжёлый дейтерий делает некоторые реакции с его участием энергетически более выгодными, чем такие же реакции с водородом, и в молекулах дейтерия оказывается гораздо больше, чем можно ожидать по распространённости этого изотопа в космосе. Поэтому по содержанию дейтерия в метаноле можно судить о том, как образовался лёд. Когда молодая звезда прогревает окружающее вещество, лёд испаряется — у IRAS 4A2 температура этого газа около 200 кельвинов (−73 °C), — и тогда метанол становится доступен для измерений ALMA.

Химические модели с наблюдениями не сходятся: для форм с двумя и тремя атомами дейтерия они предсказывают содержание в 10–100 раз ниже наблюдаемого, а для CD₃OD расхождение ещё больше. По мнению авторов, в моделях не хватает какого-то важного процесса.

Мостиком между этой химией и нашей Солнечной системой служат кометы. ALMA наблюдала и другую молодую систему — IRAS 16293-2422. Когда эти данные сопоставили с измерениями космического аппарата «Розетта» у кометы 67P/Чурюмова — Герасименко, оказалось, что относительное содержание многих молекул в протозвёздной системе и в комете коррелирует, хотя и с некоторым разбросом. Это позволяет предположить, что часть льда в кометах и другом строительном материале планет сохранилась с той стадии, на которой сейчас находится IRAS 4A2.

Где искать на небе и что можно увидеть

IRAS 4A2 находится на южной окраине NGC 1333 — молодого звёздного скопления в созвездии Персея, окутанного отражательной туманностью, то есть пылью, которую освещают ближайшие звёзды. Координаты IRAS 4A2: прямое восхождение 3 ч 29 мин, склонение +31° 14′; расстояние — около 950 световых лет (290 парсек). В середине ноября скопление находится на небе напротив Солнца и выше всего поднимается в середине ночи; с декабря по февраль его удобно наблюдать вечером. Южнее примерно 59° ю. ш. оно вообще не восходит, а на широте 35° ю. ш. поднимается над северным горизонтом лишь примерно на 24°.

Сама протозвезда в любительский телескоп не видна: она погружена в газ и пыль, из которых формируется, а её метанол обнаруживается только в спектрах миллиметрового диапазона. Надёжных данных о визуальном блеске окружающей туманности, по-видимому, не опубликовано.